ما هي نظرية هيجنز للضوء

كان كريستيان هيجنز أول شخص يشرح كيف يمكن لنظرية الموجات تفسير قوانين البصريات الهندسية في عام 1670 ، وفي ذلك الوقت لم ينتبه إليه أحد ، ثم إعاد اكتشاف عمله لاحقًا بعد الانتصار النهائي لنظرية الموجة ، وكان لدى هيجنز نظرة ثاقبة مهمة للغاية في طبيعة انتشار الموجات والتي تسمى في الوقت الحاضر مبدأ أو نظرية هيجنز.[1]

وتنص نظرية هيجنز على أن كل نقطة في مقدمة الموجة هي مصدر الموجات الثانوية التي تنتشر في جميع الاتجاهات بسرعة الموجة ، لذلك إذا نظرنا إلى مصدر نقطي ، فسوف ينبعث منه واجهة الموجة وستكون طبيعة واجهة الموجة كروية.

ووفقاً لمبدأ هيجنز ستصبح جميع النقاط على واجهة الموجة مصدرًا ثانويًا ، لذا فإن واجهات الموجة ستكون في الاتجاه الأمامي ، وجميع المصادر الثانوية تنبعث منها موجات ، الظل المرسوم على جميع الموجات هو الموضع الجديد لشكل الموجة.[2]

من هو كريستيان هيجنز

كريستيان هيجنز هو عالم فيزياء ورياضيات وفلك هولندي ، له مساهمات عديدة في مجال العلوم ، تعتبر نظرية موجات الضوء أحد أهم اكتشافاته في الفيزياء ، اكتشف أيضًا ساعة البندول ، وشكل حلقات زحل وتيتان ، وهو أكبر أقمار زحل.

ما هو الضوء؟

الضوء عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي ضمن جزء معين من الطيف الكهرومغناطيسي ، تشير الكلمة عادة إلى الضوء المرئي ، وهو الطيف المرئي للعين البشرية والمسؤول عن حاسة البصر ، الطيف هو عبارة عن مجموعة من جميع الموجات ، والتي تشمل الضوء المرئي والميكرويف وموجات الراديو (AM و FM و SW) والأشعة السينية وأشعة جاما.

بداية نظرية هيجنز للضوء

​اعتنق السير إسحاق نيوتن نظرية أن الضوء يتكون من جسيمات دقيقة ، في عام 1678 اعتقد الفيزيائي الهولندي كريستيان هيغنز أن الضوء يتكون من موجات تهتز لأعلى ولأسفل بشكل متعامد مع اتجاه انتقال الضوء ، وبالتالي صاغ طريقة لتصور انتشار الموجات ، أصبح هذا معروفًا باسم نظرية هيجنز ، كانت نظرية هيجنز هي النظرية الناجحة لحركة الموجة الضوئية في ثلاثة أبعاد ، اقترح هيجنز أن قمم الموجة الضوئية تشكل أسطحًا مثل طبقات البصل ، في الفراغ أو غيره من الوسائط المنتظمة ، تكون موجات الضوء كروية ، وتتقدم أسطح الموجات هذه أو تنتشر أثناء انتقالها بسرعة الضوء ، تشرح هذه النظرية سبب انتشار الضوء الساطع عبر ثقب الدبوس أو الشق بدلاً من السير في خط مستقيم ، وجاءت نظرية نيوتن أولاً ، لكن نظرية هيجنز وصفت التجارب المبكرة بشكل أفضل ، ويتيح مبدأ هيجنز التنبؤ بمكان وجود واجهة موجة معينة في المستقبل إذا كان لديك معرفة بمكان وجود جبهة الموجة المحددة في الوقت الحاضر.

في ذلك الوقت كانت بعض التجارب التي أجريت على نظرية الضوء ، على كل من نظرية الموجة ونظرية الجسيمات ، لها بعض الظواهر غير المبررة ، لم يستطع نيوتن تفسير ظاهرة تداخل الضوء ، وهذا دفع نظرية نيوتن للجسيمات لصالح نظرية الموجة لهيجنز ، كانت هذه الصعوبة بسبب ظاهرة استقطاب الضوء غير المبررة وكان العلماء على دراية بحقيقة أن حركة الموجة كانت موازية لاتجاه انتقال الموجة ، وليست متعامدة مع اتجاه انتقال الموجة ، كما يفعل الضوء.

في عام 1803 ، درس توماس يونغ تداخل موجات الضوء من خلال تسليط الضوء من خلال شاشة مع شقين منفصلين بشكل متساوٍ ، والضوء الخارج من الشقين ، منتشرًا وفقًا لمبدأ هيجنيز في النهاية ، ستتداخل مقدمتا الموجتان مع بعضهما البعض ، إذا تم وضع شاشة عند نقطة الموجات المتداخلة ، فسترى إنتاج مناطق فاتحة ومظلمة وهذا ما يثبت صحة مبدأ هيجنز للضوء.

نظرية موجات الضوء لهيجنز

في هذه النظرية تثبت أنه يمكن ظهور

الطبيعة الموجية للضوء

والجسيمية في نفس الوقت وفي كثير من الأحيان ، يتصرف الضوء مثل الموجة ، وتسمى الموجات الضوئية أيضًا بالموجات الكهرومغناطيسية لأنها تتكون من كلا المجالين الكهربائي (E) والمغناطيسي (H) ،و تتأرجح الحقول الكهرومغناطيسية بشكل عمودي على اتجاه حركة الموجة وعموديًا على بعضها البعض ، تُعرف الموجات الضوئية باسم الموجات المستعرضة لأنها تتأرجح في اتجاه اجتياز اتجاه انتقال الموجة.

سرعة الضوء

سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت عالمي ، حوالي 300000 كم / ثانية أو 186000 ميل في الثانية ، السرعة الدقيقة للضوء هي: 299،792.458 كم / ث ، يستغرق

حوالي 8.3 دقيقة للضوء من الشمس الذي يصل إلى الأرض (150.000.000 / 300.000 / 60 = 8.3)

مع مراعاة مسافة الشمس من الأرض ، وهي 150.000.000 كم ، وحقيقة أن الضوء ينتقل بسرعة 300000 كم / ثانية ، فإنه يوضح بطريقة ما مدى سرعة انتقال الضوء بالفعل.

التعديل على نظرية هيجنز

ينطبق مبدأ هيجنز ليس فقط على موجات الضوء ولكن أيضًا على جميع أنواع الموجات ، خاصة الموجات الصوتية ،  لكن هذا المبدأ لا يمكن أن يفسر تأثيرات الانعراج ، وكان من الصعب أيضًا تفسير ظاهرة استقطاب الضوء ، في وقت لاحق قدم العال أوجستين جان فريسنل توضيحًا أكثر تفصيلاً للمبدأ الذي يمكن أن يفسر ظاهرة الانعراج ، ووصف الانتشار المستقيم للضوء على أساس نظرية الموجة ، كان فرينل هو من ذكر أن موجات الضوء هي موجات عرضية ، وتوسع فرينل في المبدأ وأشار إلى أن اتساع الموجة الضوئية عند نقطة ما يتطابق مع تراكب اتساع تلك الموجات الثانوية عند تلك النقطة ، وذلك لأن الموجات الثانوية لها نفس تردد الموجة الأصلية ، وفي وقت لاحق وصل جوستاف كيرشوف إلى مبدأ هيجنز من معادلة ماكسويل. [3]

الفرق بين الطبيعة الموجية والجسيمية للضوء

تتصور إحدى وجهات النظر أن الضوء يشبه الموجة في الطبيعة ، مما ينتج طاقة تعبر عبر الفضاء بطريقة مشابهة للتموجات المنتشرة عبر سطح بركة ثابتة بعد أن تزعجها سقوط صخرة ، يرى الرأي المقابل أن الضوء يتكون من تيار مستمر من الجزيئات ، مثل قطرات الماء الصغيرة التي يتم رشها من فوهة خرطوم الحديقة ولكن خلال القرون القليلة الماضية ، تذبذب الإجماع في الرأي مع وجود رأي سائد لفترة من الزمن ولكن في النهاية وبعد العديد من الدراسات والتجارب العلمية للعلماء تبين أن كلا النظريتين صحيحتان ، على الأقل جزئيًا ، ولذلك لأن الضوء المرئي ينتشر كموجات ومع ذلك ، فإن الطاقة التي تنقلها الأمواج يتم امتصاصها في مواقع فردية بالطريقة التي يتم بها امتصاص الجسيمات ، وتسمى الطاقة الممتصة للموجات الكهرومغناطيسية الفوتون ، وتمثل الكميات من الضوء ، عندما يتم تحويل موجة من الضوء وامتصاصها كفوتون ، تنهار طاقة الموجة على الفور إلى مكان واحد ، وهذا الموقع هو المكان الذي يصل فيه الفوتون هذا ما يسمى بانهيار الدالة الموجية ، وتُعرف طبيعة الضوء التي تشبه الموجة المزدوجة والجسيمات باسم ثنائية الموجة والجسيم أي أن الضوء يتصرف كموجة وجسيم في نفس الوقت.